A95陶瓷材料的动态压缩测试研究

为了得到陶瓷材料有效的实验结果,必须采用多种改进措施(PulseShaper、高强度和高刚度垫块、直接测试试样应变以及使用较大长径比的试样)来满足SHPB装置所要求的基本假设条件。研究以A95陶瓷的测试为例,通过数值模拟分析证明:针对陶瓷材料改进的SHPB装置,可以得到陶瓷材料的有效压缩应力 应变曲线和压缩破坏强度。但是在分析材料的压缩破坏强度时,必须排除劈开破坏的干扰。数值模拟研究发现,压缩测试中出现的劈开破坏是由卸载过程中出现的局部横向(沿直径)拉伸造成的拉伸破坏。在修正了弥散对压缩破坏强度的影响后,研究得到了A95陶瓷的压缩破坏强度为3.5GPa。A95陶瓷的高应变率压缩应力 应变曲线显示了良好的线弹性,并且曲线的斜率与杨氏模量相同。     

锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析软件研究锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理。通过分析锚固洞室爆炸压应力时程曲线规律,发现压应力时程曲线特征符合应力波的一般传播作用规律,这说明数值分析的结果比较合理。集中装药爆炸后,应力波以球面向四周扩散传播,随着时间推移,快速衰减。当应力波向上传播到地表时,会在地表附近发生多次“层裂”形成大面积裂纹,爆源从拱顶至侧墙,地表面附近受拉破坏越来越轻,其中直墙侧爆不发生受拉破坏;当应力波向下传播至地下洞室时,由于反射拉伸,会在锚固区及其末端发生“层裂”。随着应力波继续传播,经由上地表反射的拉伸波会与由洞室表面反射的拉伸波发生相遇,形成加载波,一旦加载波的强度大于围岩的动态抗拉强度,会在相应的位置形成裂纹。     

陶瓷材料SHPB实验的改进垫块法

高强度陶瓷材料SHPB实验中,利用圆柱或圆台形垫块可避免压杆的端面塑性变形,但存在陶瓷试件中轴向的应力不均匀现象,从而影响实验结果的有效性。本文通过数值模拟分析了两种垫块方式引起的试件中轴向应力分布的特点,并以此为基础提出了一种更为合理的垫块方法。利用商业软件LS-DYNA,数值模拟了改进垫块方法的陶瓷材料SHPB实验。结果显示,基本上消除了陶瓷试件中轴向应力不均匀现象。应用一维应力波理论,分析了实验中的波传播过程,得到了对实验数据的修正处理方法,并证明了所提的修正方法是可行有效的。     

脆性材料中应力波衰减规律与层裂实验设计的数值模拟

对混凝土、岩石类脆性材料的层裂实验进行了有限元模拟,研究了应力波在此类材料中传播的衰减规律,包括两类机制:弹性波因大尺寸试样的几何弥散产生的小幅度线性衰减、与应变率相关的黏塑性波因本构关系导致的指数衰减。在此基础上,提出了包含常数项的指数型应力波峰值拟合公式。建议采用可以忽略应力波衰减影响的细长形试样进行层裂实验。混凝土类脆性材料层裂破坏模拟结果显示,有限元模拟得到的层裂片厚度与一维应力波理论得到的结果非常吻合,验证了按一维应力波理论确定层裂强度的实验方法的有效性。通过对比3种不同入射波形下层裂片的形状和净拉应力波形,发现不对称的入射波形状更有利于实验获得平直的层裂断面和较准确的层裂强度。     

冲击载荷下Al_2O_3陶瓷材料的动态力学行为和响应

采用分离式Hopkinson压杆实验装置和ABQAUS软件,对氧化铝陶瓷材料进行冲击压缩实验和有限元数值模拟;分析了此类材料中的应力-应变关系、应力波的传播特性和冲击动态响应。结果表明:氧化铝陶瓷的极限强度和应力波波速均随着应变率的增加而明显增加,应变率效应明显;氧化铝陶瓷材料属于递减硬化材料,随着应变的增大,应力波的波速降低,动态切线模量逐渐减小;当应变率增加50%时,此类材料的应力、应变、速度、加速度等参量的冲击动态响应分别增加约68.67%、77.42%、22.84%、25.75%。     

45#钢的损伤演化方程和层裂准则研究

通过唯象分析和细观物理统计相结合的方法建立了一种韧性材料的损伤演化方程。在试验结果和内变量理论的基础上得到了45#钢的含损伤热—粘塑性本构关系。用有限差分方法计算了45#钢平板撞击所产生的应力波传播规律、损伤演化规律及层裂进程。通过自由面速度历史的数值模拟,并基于计算结果与试验结果间的最佳一致性,得到了损伤演化方程中的材料参数和极限损伤数值,并以此为依据建立了材料的应力率层裂准则。     

爆炸焊接界面波的数值模拟

借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA 11.0,运用光滑粒子流体动力学方法(SPH方法),建立以Johnson-Cook材料模型和Grüneisen状态方程为基础的热塑性流体力学模型,对同种钢板爆炸焊接界面波进行了数值模拟.结果表明,运用SPH方法可以得到清晰的爆炸焊接界面波形貌.与实验结果的比较表明:模拟误...     

冲击荷载作用下滤波混凝土的动态响应与层裂损伤数值研究

借鉴局域共振材料的工作机制，通过在混凝土基体中嵌入滤波单元，设计出具有应力波衰减特性的滤波混凝土。通过将滤波混凝土结构简化为质量弹簧力学系统来分析滤波混凝土对应力波的衰减机制。采用数值模拟方法，对比研究了冲击荷载作用下普通混凝土模型和滤波混凝土模型中应力波的传播特性和层裂破坏模式。通过参数分析，研究了滤波单元的材料和几何属性对其储能效果的影响。研究结果表明：滤波单元有效降低了混凝土基体中应力波的传播速度和应力峰值；滤波单元的储能机制有效降低了混凝土基体中的能量；金属球的质量越大，滤波单元的储能效果越好，但弹性层的弹性模量和厚度需要通过适当分析进行设计以实现滤波单元的储能最大化；滤波混凝土基体的局部损伤耗散了荷载中的大量能量，有效降低了结构自由面附近的破坏程度。     

混凝土SHPB试验数值模拟研究

基于混凝土HJC动态本构模型,分析了该模型方程及参数获得方法,以混凝土材料的基本力学参数确定了HJC模型中各参数值,并运用LS-DYNA软件完成混凝土SHPB试验的三维数值模拟.对比分析数值模拟结果重构所得试样的应力应变曲线与实际试验结果的相似性,研究表明,数值模拟结果可再现试验中混凝土的动态力学行为与破坏特征,而且,数值模拟可很好的反映应力波在波导杆与试件中传播过程,符合一维弹性波理论规律.     

长杆弹撞击陶瓷靶的一种数值模拟方法

陶瓷材料具有高强度和低密度等特点，抗弹性能优越，被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象，是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型，采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法，模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷，通过改变长杆弹的撞击速度，得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合，综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明，在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法，需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟，不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。     

A corrected symmetric SPH method to simulate viscoelastic free surface flows based on the PTT model

In this work, a corrected symmetric and periodic density reinitialized SPH (CSPDR‐SPH) method is proposed and extended to simulate the viscoelastic free surface flows based on the Phan–Thien–Tanner model. The improvements mainly lie in deriving a corrected symmetric kernel gradient, and combining it with a periodic density reinitialization procedure. In addition, a simple artificial viscosity and a simple artificial stress form are adopted. Thus, the CSPDR‐SPH method has higher accuracy and better stability than the SPH method, and conserves both linear and angular momentums. The consistency and convergence of the CSPDR‐SPH method are justified by approximating a function in one and two dimensions. The merits of CSPDR‐SPH method are demonstrated by several benchmarks. The simple flow in a two‐dimensional channel is investigated to show the capability of the CSPDR‐SPH method to simulate the viscoelastic free surface flow. Then the CSPDR‐SPH method is extended to simulate the impacting drop problem. Numerical results show that the CSPDR‐SPH method can precisely capture the viscoelastic free surface. The Reynolds number, Weissenberg number and elongation parameter have remarkable effect on the flows. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

修正SPH方法在自由表面模拟中的应用

对传统光滑粒子动力学(SPH)方法进行修正,提出了一种密度初始化方法,同时采用一种新的固壁边界处理方法,模拟溃坝问题。通过液滴旋转和无透空块体溃坝问题的模拟验证了修正SPH方法的有效性和在自由表面模拟中的准确性,分析了密度初始化对流动的影响;数值结果表明,修正SPH方法提高了数值计算的精度和稳定性。最后应用修正SPH方法模拟了有透空块体和挡板紧挨水柱的溃坝现象,比较了有无透空块体两种情况下右端直墙上压力变化情况,结果表明,透空块体可使右端直墙上的压力减小,有无挡板、挡板位置和水柱长高比对溃坝现象有重要影响。     

Modified incompressible SPH method for simulating free surface problems

An incompressible smoothed particle hydrodynamics (I-SPH) formulation is presented to simulate free surface incompressible fluid problems. The governing equations are mass and momentum conservation that are solved in a Lagrangian form using a two-step fractional method. In the first step, velocity field is computed without enforcing incompressibility. In the second step, a Poisson equation of pressure is used to satisfy incompressibility condition. The source term in the Poisson equation for the pressure is approximated, based on the SPH continuity equation, by an interpolation summation involving the relative velocities between a reference particle and its neighboring particles. A new form of source term for the Poisson equation is proposed and also a modified Poisson equation of pressure is used to satisfy incompressibility condition of free surface particles. By employing these corrections, the stability and accuracy of SPH method are improved. In order to show the ability of SPH method to simulate fluid mechanical problems, this method is used to simulate four test problems such as 2-D dam-break and wave propagation.     

陶瓷/金属复合装甲冲击响应的三维SPH法分析

采用自编三维SPH程序对弹体侵彻陶瓷/金属复合装甲问题进行了数值模拟.为了描述金属和陶瓷材料非线性变形及损伤特性,在程序中嵌入Johnson-Cook和Johnson-Holmquist Ⅱ本构模型及Mie-Gruneisen状态方程.SPH计算得到的典型位移随时间变化曲线与实验结果吻合较好.通过数值模拟合理再现了弹体...     

应力波数值计算中的SPH方法

对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。     

SPH方法在模拟线弹性波传播中的运用

通过对固体中波动问题的模拟建立了一种光滑粒子法的新形式,一种运用SPH的核函数的类似有限体积法的计算方法。通过对统计体积的修正以及对边界粒子的核函数修正,较好地解决了SPH方法中长期以来制约其被广泛应用的主要问题之一边界条件的表述。在此基础上成功地在光滑粒子法中实现了透射边界条件的模拟。同时利用反卷积修正使得较大粒子间距下的计算结果的精度大大提高。这种方法不但保持了SPH的简单性,而且很容易实现应力边界条件。     

一种SPH应力修正算法及自由表面流中的应用

提出了一种SPH应力修正算法,即模型中的拉应力和压应力分别采用不同的插值核函数和状态方程来处理,改善应力稳定性问题。介绍了一种改进的Quintic核函数,用于改善模型中压应力的稳定性。通过增加钟型核函数的光滑长度,改善模型中拉应力的稳定性。采用该应力修正算法模拟了无重力条件下方形液滴的震荡变形过程,对比分析了不同算法的模拟结果。此外,为进一步验证算法的适用性,模拟了溃坝算例。研究表明,改进的Quintic型核函数明显改善了粒子聚集现象,该SPH应力修正方法可以使液滴具有更均匀的粒子分布以及更光滑的自由表面,有效改善了SPH方法中的压应力不稳定作用以及自由表面流的模拟精度。     

地质断层对地下结构震塌影响机理的动光弹试验研究

用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用,比较分析了冲击荷载作用下水平和30方向的裂缝的动态响应,得到指定点处的条纹级数 时间关系曲线图和应力 时间关系曲线图,研究了结构物顶部震塌的机理,试验结论可为防护结构的改进提供参考。